Linux Ptrace 详解
转 https://blog.csdn.net/u012417380/article/details/60470075
Linux Ptrace 详解
一、系统调用
操作系统提供一系列系统调用函数来为应用程序提供服务。关于系统调用的详细相关知识，可以查看<<程序员的自我修养》第十二章。
对于x86操作系统来说，用中断命令“int 0x80”来进行系统调用，系统调用前，需要将系统调用号放入到%EAX寄存器中，将系统的参数依次放入到寄存器%ebx、%ecx、%edx以及%esi和%edi中。
以write系统调用为例：
write(2,"Hello",5);- 1
在32位系统中会转换成：
movl $1,%eax
movl $2,%ebx
movl $hello,%ecx
movl $5,%edx
int $0x80- 1
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其中1为write的系统调用号，所有的系统调用号定义在unistd.h文件中，$hello 表示字符串“Hello”的地址；32位Linux系统通过0x80中断来进行系统调用。
64位系统用户应用层用整数寄存器%rdi ,%rsi,%rdx,%rcx, %r8以及 %r9来传参。而内核接口用%rdi ,%rsi,%rdx,%r10,&r8以及%r10来传参，并且用syscall指令而不是80中断进行系统调用。
x86和x64都用寄存器rax来保存调用号和返回值。
二、ptrace 函数简介
#include <sys/ptrace.h>
long ptrace（enum _ptrace_request request,pid_t pid,void * addr ,void *data）;- 1
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ptrace()系统调用函数提供了一个进程（the “tracer”）监察和控制另一个进程（the “tracee”）的方法。并且可以检查和改变“tracee”进程的内存和寄存器里的数据。它可以用来实现断点调试和系统调用跟踪。
tracee首先需要被附着到tracer。在多线程进程中，每个线程都可以被附着到一个tracer。ptrace命令总是以ptrace(PTARCE_foo,pid,..)的形式发送到tracee进程。pid是tracee线程ID。
当一个进程可以开始跟踪进程通过调用fork函数创建子进程并让子进程执行PTRACE_TRACEME,然后子进程再调用execve()（如果当前进程被ptrace,execve()成功执行后 SIGTRAP信号量会被发送到该进程）。一个进程也可以使用”PTRACE_ATTACH”或者”PTRACE_SEIZE”来跟踪另一个进程。
当进程被跟踪后，每当信号量传来，甚至信号量会被忽略时，tracee会暂停。tracer会在下次调用waitpid（wstatus）(或者其它wait系统调用)处被通知。该调用会返回一个包含tracee暂停原因信息的状态码。当tracee暂停后，tracer可以使用一系列ptrace请求来查看和修改tracee中的信息。tracer接着可以让tracee继续执行。tracee传递给tracer中的信号量通常被忽略。
当PTRACE_O_TRACEEXEC项未起作用时，所有成功执行execve()的tracee进程会被发送一个 SIGTRAP信号量后暂停，在新程序执行之前，父进程将会取得该进程的控制权。
当tracer结束跟踪后，可以通过调用PTRACE_DETACH继续让tracee执行。
prace更多相关信息可以查看http://man7.org/linux/man-pages/man2/ptrace.2.html官方文档。
三、示例
1.ptrace追踪子进程执行exec()
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/reg.h> /* For constants ORIG_RAX etc */
int main(){
pid_t child;
long orig_rax;
child=fork();
if(child==0){
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
execl("/bin/ls","ls",NULL);
}else{
wait(NULL);
orig_rax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);
printf("The child made a system call %ld\n",orig_rax);
ptrace(PTRACE_CONT,child,NULL,NULL);
}
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编译后输出：
The child made a system call 59
user1@user-virtual-machine:~/hookTest$ a.out attach.c~ ex1.c ex1.o ex2.c~ ex3.c ex3.o ex4.c~ victim.c~
attach.c attach.o ex1.c~ ex2.c ex2.o ex3.c~ ex4.c victim.c victim.o
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execl()函数对应的系统调用为__NR_execve，系统调用值为59。父进程通过调用fork()来创建子进程。在子进程中，先运行patrce().请求参数设为PTRACE_TRACE,来告诉内核当前进程被父进程trace，每当有信号量传递到当前进程，该进程会暂停，提醒父进程在wait()调用处继续执行。然后再调用execl()。当execl()函数成功执行后，新程序运行之前，SIGTRAP信号量会被发送到该进程，让子进程停止，这时父进程会在wait相关调用处被通知，获取子进程的控制权，可以查看子进程内存和寄存器相关信息。
当进程进行系统调用时，int会在内核栈中依次压入用户态的寄存器SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP.中断处理程序的SAVE_ALL宏会将 依次将EAX、EBP、EDI、ESI、EDX、ECX、EBX寄存器值压入内核栈。调用ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL) 获取USER area信息时<sys/reg.h>文件定义了与内核栈寄存器数组顺序相同的下标：
#ifndef _SYS_REG_H
#define _SYS_REG_H 1
#ifdef __x86_64__
/* Index into an array of 8 byte longs returned from ptrace for
location of the users' stored general purpose registers. */
# define R15 0
# define R14 1
# define R13 2
# define R12 3
# define RBP 4
# define RBX 5
# define R11 6
# define R10 7
# define R9 8
# define R8 9
# define RAX 10
# define RCX 11
# define RDX 12
# define RSI 13
# define RDI 14
# define ORIG_RAX 15
# define RIP 16
# define CS 17
# define EFLAGS 18
# define RSP 19
# define SS 20
# define FS_BASE 21
# define GS_BASE 22
# define DS 23
# define ES 24
# define FS 25
# define GS 26
#else
/* Index into an array of 4 byte integers returned from ptrace for
* location of the users' stored general purpose registers. */
# define EBX 0
# define ECX 1
# define EDX 2
# define ESI 3
# define EDI 4
# define EBP 5
# define EAX 6
# define DS 7
# define ES 8
# define FS 9
# define GS 10
# define ORIG_EAX 11
# define EIP 12
# define CS 13
# define EFL 14
# define UESP 15
# define SS 16
#endif
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这样8*ORIG_RAX就找到USER area 中 ORIG_RAX 寄存器值的保存地址。ORIG_RAX保存了系统调用号。
当检查完系统调用之后，可以调用ptrace并设置参数PTRACE_CONT让子进程继续进行。
2.读取子进程系统调用参数
//64位下乌班图程序
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/reg.h>
#include <sys/user.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <stdio.h>
int main(){
pid_t child;
long orig_rax;
int status;
int iscalling=0;
struct user_regs_struct regs;
child = fork();
if(child==0){
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
execl("/bin/ls","ls","-l","-h",NULL);
}else{
while(1){
wait(&status);
if(WIFEXITED(status))
break;
orig_rax=ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);
if(orig_rax == SYS_write){
ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s);
if(!iscalling){
iscalling =1;
printf("SYS_write call with %lld, %lld, %lld\n",regs.rdi,regs.rsi,regs.rdx);
} else{
printf("SYS_write call return %lld\n",regs.rax);
iscalling = 0;
}
}
ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL);
}
}
return 0;
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编译后输出：
SYS_write call with 1, 140179049189376, 14
总用量 28K
SYS_write call return 14
SYS_write call with 1, 140179049189376, 51
-rw-rw-r-- 1 user1 user1 534 2月 26 18:02 ex1.c
SYS_write call return 51
SYS_write call with 1, 140179049189376, 52
-rw-rw-r-- 1 user1 user1 534 2月 26 18:02 ex1.c~
SYS_write call return 52
SYS_write call with 1, 140179049189376, 53
-rw-rw-r-- 1 user1 user1 1.1K 3月 2 13:02 hook2.c
SYS_write call return 53
SYS_write call with 1, 140179049189376, 54
-rw-rw-r-- 1 user1 user1 1.1K 3月 2 13:02 hook2.c~
SYS_write call return 54
SYS_write call with 1, 140179049189376, 53
-rwxrwxr-x 1 user1 user1 8.6K 3月 2 13:02 hook2.o
SYS_write call return 53
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可以看到ls -l -h 执行了六次SYS_write系统调用。
读取寄存器中的参数时，可以使用PTRACE_PEEKUSER一个字一个字读取，也可以使用PTRACE_GETREGS参数直接将寄存器的值读取到结构体user_regs_struct 中，该结构体定义在sys/user.h中
对于PTRACE_STSCALL参数，该参数会像PTRACE_CONT一样使暂停的子进程继续执行，并在子进程下次进行系统调用前或系统调后，向子进程发送SINTRAP信号量，让子进程暂停。
WIFEXITED函数(宏)函数用来检查子进程是暂停还准备退出。
3.修改子进程系统调用参数
val = ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr,NULL)- 1
PTRACE_PEEKDATA、PTRACE_PEEKTEXT参数是在tracee内存的addr地址处读取一个字（sizeof(long））的数据，反回值是long 型的，可多次读取addr
+i*sizeof(long)然后再合并得到最终字符串的内容。
现在，我们对系统调用write 输出的字符串参数进行反转：
#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/reg.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/user.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#define long_size sizeof(long)
void reverse(char * str)
{
int i,j;
char temp;
for(i=0,j=strlen(str)-2;i<=j;++i,--j){
temp=str[i];
str[i]=str[j];
str[j]=temp;
}
}
void getdata(pid_t child,long addr,char * str,int len){
char * laddr;
int i,j;
union u{
long val;
char chars[long_size];
} data;
i=0;
j=len/long_size;
laddr=str;
while(i<j){
data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr+i*long_size,NULL);
if(data.val == -1){
if(errno){
printf("READ error: %s\n",strerror(errno));
}
}
memcpy(laddr,data.chars,long_size);
++i;
laddr +=long_size;
};
j=len % long_size;
if(j!=0){
data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr+i*long_size,NULL);
memcpy(laddr,data.chars,j);
}
str[len]='\0';
}
void putdata(pid_t child,long addr,char * str,int len){
char * laddr;
int i,j;
union u{
long val;
char chars[long_size];
} data;
i=0;
j=len /long_size;
laddr=str;
while(i<j){
memcpy(data.chars,laddr,long_size);
ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr +i*long_size,data.val);
++i;
laddr+=long_size;
}
j=len%long_size;
if(j!=0){
//注意：由于写入时也是按字写入的，所以正确的做法是先将该字的高地址数据读出保存在data的高地址上 ，然后将该字再写入
memcpy(data.chars,laddr,j);
ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr +i*long_size,data.val);
}
}
int main(){
pid_t child;
int status;
struct user_regs_struct regs;
child =fork();
if(child ==0){
ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
execl("/bin/ls","ls",NULL);
}else{
long orig_eax;
char *str,*laddr;
int toggle =0;
while(1){
wait(&status);
if(WIFEXITED(status))
break;
orig_eax = ptrace(PTRACE_PEEKUSER,child,8*ORIG_RAX,NULL);
if(orig_eax == SYS_write){
if(toggle == 0){
toggle =1;
ptrace(PTRACE_GETREGS,child,NULL,®s);
str=(char * )calloc((regs.rdx+1),sizeof(char));
getdata(child,regs.rsi,str,regs.rdx);
reverse(str);
putdata(child,regs.rsi,str,regs.rdx);
}else{
toggle =0;
}
}
ptrace(PTRACE_SYSCALL,child,NULL,NULL);
}
}
return 0;
}
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输出：
user1@user-virtual-machine:~/hookTest$ ./hook3.o
o.3kooh ~c.3kooh c.3kooh o.2kooh ~c.2kooh c.2kooh ~c.1xe c.1xe
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4.向其它程序注入指令
我们追踪其它独立运行的进程时，需要使用下面的命令：
ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL)- 1
使pid进程成为被追踪的tracee进程。tracee进程会被发送一个SIGTOP信号量，tracee进程不会立即停止，直到完成本次系统调用。如果要结束追踪，则调用PTRACE_DETACH即可。
debug 设置断点的功能可以通过ptrace实现。原理是ATTACH正在运行的进程使其停止。然后读取该进程的指令寄存器IR（32位x86为EIP,64w的是RIP）内容所指向的指令，备份后替换成目标指令，再使其继续执行，此时被追踪进程就会执行我们替换的指令，运行完注入的指令之后，我们再恢复原进程的IR
,从而达到改变原程序运行逻辑的目的。
tracee进程代码：
stdio.h>
int main(){
int i=0;
while(1){
printf("Hello,ptrace! [pid:%d]! num is %d\n",getpid(),i++);
sleep(2);
}
return 0;
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tracer进程代码
#include<sys/ptrace.h>
#include<sys/reg.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/user.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdio.h>
#define long_size sizeof(long)
void getdata(pid_t child, long addr ,char * str,int len){
char * laddr =str;
int i,j;
union u{
long val;
char chars [long_size] ;
} data;
i=0;
j=len/long_size;
while(i<j){
data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + long_size*i,NULL);
if(data.val==-1){
if(errno){
printf("READ error: %s\n",strerror(errno));
}
}
memcpy(laddr,data.chars,long_size);
++i;
laddr=laddr+long_size;
}
j= len %long_size;
if(j!=0){
data.val=ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + long_size*i,NULL);
if(data.val==-1){
if(errno){
printf("READ error: %s\n",strerror(errno));
}
}
memcpy(laddr,data.chars,j);
}
str[len]='\0';
}
void putdata(pid_t child , long addr,char * str,int len){
char * laddr =str;
int i,j;
j=len/long_size;
i=0;
union u{
long val;
char chars [long_size] ;
} data;
while(i<j){
memcpy(data.chars,laddr,long_size);
ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr + long_size*i,data.val);
++i;
laddr=laddr+long_size;
}
j=len%long_size;
if(j!=0){
data.val= ptrace(PTRACE_PEEKDATA,child,addr + long_size*i,NULL);
if(data.val==-1){
if(errno){
printf("READ error: %s\n",strerror(errno));
}
}
memcpy(data.chars,laddr,j);
ptrace(PTRACE_POKEDATA,child,addr + long_size*i,data.val);
}
}
int main(int argc,char * argv[]){
if(argc!=2){
printf("Usage: %s pid\n",argv[0]);
}
pid_t tracee = atoi(argv[1]);
struct user_regs_struct regs;
/*int 80(系统调用) int 3（断点）*/
unsigned char code[]={0xcd,0x80,0xcc,0x00,0,0,0,0}; //八个字节，等于long 型的长度
char backup[8]; //备份读取的指令
ptrace(PTRACE_ATTACH,tracee,NULL,NULL);
long inst; //用于保存指令寄存器所指向的下一条将要执行的指令的内存地址
wait(NULL);
ptrace(PTRACE_GETREGS,tracee,NULL,®s);
inst =ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,tracee,regs.rip,NULL);
printf("tracee:RIP:0x%llx INST: 0x%lx\n",regs.rip,inst);
//读取子进程将要执行的 7 bytes指令并备份
getdata(tracee,regs.rip,backup,7);
//设置断点
putdata(tracee,regs.rip,code,7);
//让子进程继续执行并执行“int 3”断点指令停止
ptrace(PTRACE_CONT,tracee,NULL,NULL);
wait(NULL);
long rip=ptrace(PTRACE_PEEKUSER,tracee,8*RIP,NULL);//获取子进程停止时，rip的值
long inst2=ptrace(PTRACE_PEEKTEXT,tracee,rip,NULL);
printf("tracee:RIP:0x%lx INST: 0x%lx\n",rip,inst2);
printf("Press Enter to continue tracee process\n");
getchar();
putdata(tracee,regs.rip,backup,7); //重新将备份的指令写回寄存器
ptrace(PTRACE_SETREGS,tracee,NULL,®s);//设置会原来的寄存器值
ptrace(PTRACE_CONT,tracee,NULL,NULL);
ptrace(PTRACE_DETACH,tracee,NULL,NULL);
return 0;
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先运行tracee.o 文件
$ ./tracee.o- 1
此时tracee.o输出：
Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 0
Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 1
Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 2
Hello,ptrace! [pid:14384]! num is 3
......- 1
- 2
- 3
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- 5
再另打开一个shell运行attach.o文件
$ ./.attach.o 14384 //pid- 1
此时tracee.o执行到int 3断点指令停止，attach1,o输出：
tracee:RIP:0x7f48b0394f20 INST: 0x3173fffff0013d48
tracee:RIP:0x7f48b0394f23 INST: 0x8348c33100000000
Press Enter to continue tracee process
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
按任意键tracee.o恢复执行
参考：
